Stofkoncentrationer i regnbetingede udledninger fra fællessystemer

5. Databearbejdning

5.1 Metodik og afgrænsning
5.2 Datagrundlag
5.3 Variation mellem hændelser og stationer
5.4 Variation under hændelser
5.5 Modellering af variationer
5.6 Betydning af variation under hændelser
5.7 Enhedstal på basis af danske målinger

5.1 Metodik og afgrænsning

Krav til måleoplande

Udgangspunktet for nærværende databearbejdning er de målinger, som er udført i amtskommunalt regi i forbindelse med gennemførelsen af det intensive overvågningsprogram. Desuden er inddraget de grunddata, som har ligget til grund for tidligere rekommandationer om typetal. Målingerne, der er medtaget, opfylder følgende betingelser:

• Der er målt et rimeligt antal hændelser. I bearbejdningen er der mindst 12 hændelser pr. opland.
• Der er målt på hele afstrømningshændelsen. Det betyder, at målinger foretaget nedstrøms for fordeler- eller overløbsbygværker og målinger, hvor der kun udtages prøver mens der er overløb, ikke kan medtages i bearbejdningen. Disse målinger anses for at være specifikke for afløbssystemet og vanskelige at generalisere.
• Prøveudtagningen er foretaget flowproportionalt og med prøveudtageren mod strømningsretningen lidt over bunden af røret og hvor strømningen ikke er påvirket af et bygværk.
• Der må ikke være dominerende industri i oplandet.

Måleparametre

Der er angivet yderligere betingelser i Miljøstyrelsen (1990b). Der er i alt 6 oplande, der opfylder disse betingelser. For nogle af oplandene er endvidere målt en række andre parametre end kemisk iltforbrug (COD), kvælstof (N), fosfor (P) og suspenderet stof (SS). Der er primært tale om de opløste fraktioner af COD, N og P samt BOD. Disse parametre har imidlertid ikke samme bevågenhed og er heller ikke målt ved alle oplande. Derfor er kun COD, N, P og SS analyseret.

5.2 Datagrundlag

Der er benyttet data fra i alt 6 oplande, se tabel 5.1. Det ses, at der er lidt over 100 hændelser, hvoraf halvdelen tidligere er analyseret detaljeret med henblik på fastsættelse af typetal (Miljøstyrelsen, 1990a). En samlet fortegnelse over data kan findes i bilag C.

5.3 Variation mellem hændelser og stationer

Nogle af hændelserne er meget små, helt ned til 0,1 mm afstrømmet volumen, svarende til ca. 5 m³ overvand. Usikkerheden på beregning af overvandskoncentrationen er betragtelig for så små volumener, og det er tvivlsomt, hvorvidt det er relevant at medtage en hændelse, der ikke medfører en vandføring væsentligt større end tørvejrsafstrømningen, i den statistiske bearbejdning. Der er derfor indført en tærskel på 1 mm afstrømning. Hændelser med mindre volumen er ikke medtaget i undersøgelsen. Derved ekskluderes 4 regnhændelser fra Soldalen og en fra hvert af oplandene Vissing og Hasseris.

Flere undersøgelser har påvist, at den statistiske fordeling af HMK er en log-normal fordeling. Denne fordeling fremkommer hyppigt ved undersøgelser af komplekse naturlige fænomener, idet den fremkommer ved at mange delprocesser med hver sin usikkerhed ganges sammen. Den empiriske fordelingsfunktion for COD er vist for hvert af de seks oplande i figur 5.1. Bemærk, at den vandrette akse er logaritmisk.

Det ses umiddelbart, at de fem af oplandene kan antages at tilhøre samme fordeling, mens Hasseris skiller sig ud ved at have markant højere HMK-værdier end de øvrige oplande. Den eneste hændelse, hvor HMK i Hasseris oplandet ligger under middelværdien for de øvrige oplande for COD er en ekstremt stor regnhændelse med et afstrømmet volumen på 73 mm.

På figur 5.2 er indtegnet SMK- værdier, udregnet som volumen-vægtede middelværdier for hver station, for alle stoftyper og alle målestationer. For Hasseris er der dog indtegnet to værdier, idet den ene ekstreme regnhændelse har meget stor betydning for udregning af SMK. For Odinsvej er SMK-værdien skønnet på baggrund af HMK-værdierne, idet dele af det originale datamateriale er gået tabt, og vægtning derfor ikke er mulig.

5.4 Variation under hændelser

Variationerne under hændelser undersøges lettest ved at udtage fraktionerede prøver og analysere dem separat. Formel (2.2) kan så anvendes stykkevist, hvorved man direkte kan observere eventuelle variationer i koncentrationen gennem regnhændelsen. Der er dog kun udtaget fraktionerede prøver i oplandene Hasseris og Soldalen. Konklusioner om variationer under hændelser i Danmark kan ikke baseres alene på disse to oplande, idet Hasseris åbenlyst er en outlier i forhold til de øvrige oplande, og 4 af de 12 regnhændelser ved Soldalen er for små til at indgå i en sådan analyse.

Undersøgelsen foregår derfor ved at analysere en række forklarende variable for alle oplandene undtagen Hasseris og benytte dem til at søge at forklare den observerede variation i HMK der er vist på figur 5.1. De forklarende variable udtrykker variation og forskelle i regnhændelsen, afstrømningshændelsen og tiden siden sidste regnhændelse. Endvidere testes for hver stoftype, hvorvidt fordelingen af stoftypen varierer mellem oplande. Analysen er beskrevet i detaljer i bilag B.

5.5 Modellering af variationer

Den benyttede statistiske regressionsmodel er meget simpel, hvilket gør det muligt direkte at teste, om inddragelse af viden fra en enkelt variabel giver en signifikant bedre beskrivelse af datamaterialet. Variable, der reflekterer karakteristika ved regnen eller afstrømningen, tilskrives variation under regn, mens tiden siden sidste regn beskriver variation mellem hændelser.

De forklarende variable indgår i første omgang både som utransformerede og som log-transformerede. Det viser sig, at de utransformerede variable giver den bedste beskrivelse af de log-transformerede HMK-værdier, hvorfor kun de utransformerede værdier benyttes i de endelige modeller.

Der er to modeller, der er lige velegnede til at beskrive variationen i HMK. Modellerne er ens af type, men benytter henholdsvis egenskaber ved regnen og afstrømningen til at forklare variationen under hændelsen. De to modeller medfører nogle forskelle i den relative betydning af variationen under og mellem hændelser, men i alle tilfælde er såvel variationen under og mellem regnhændelser signifikante. For SS og P er endvidere variationen mellem oplande signifikant.

Måledata indikerer altså, at såvel egenskaberne ved regnen som den forudgående tørvejrsperiode har væsentlig indflydelse på HMK for den enkelte hændelse. Der er dog for alle stoftyper en meget stor residual variation på 50-80% af den totale variation. Det vil formentlig være muligt at reducere denne residuale variation ved at opstille mere detaljerede modeller, men det bør altid sikres, at sådanne modeller ikke er urealistisk komplicerede i forhold til de data, der under normale omstændigheder vil være tilgængelige. De centrale parametre til beskrivelse af variationen af HMK er angivet i tabel 5.2. Regnvarighed og –volumen er kraftigt korrelerede, og derfor skal kun en af de to variable medtages i en model for variationerne.

Tabel 5.2
De variable, der indeholder mest information om variation mellem og under regnhændelser. En opadgående pil () viser, at en forøgelse af den uafhængige parameter giver en forøgelse af stofkoncentrationen, en pil nedad () viser den modsatte sammenhæng, og et nul (o) viser, at der ikke er nogen sammenhæng.

Figur 5.3
Fraktionerede prøver af COD fra opland Soldalen. Det ses, at der for nogle hændelser er en tydelig ændring i hældningen, hvilket indikerer ændringer i koncentrationsniveauet. Ændringen indikerer, at der er tale om et first flush-fænomen.

På figur 5.3 er vist den akkumulerede mængde stof som funktion af akkumuleret afstrømning for oplandet i Soldalen. En ret linie fra regnhændelsens start og slut betyder, at der ikke er nogle systematiske variationer, der har betydning for HMK. De viste linier indikerer i nogle tilfælde, at der er væsentligt højere koncentrationsniveauer i begyndelsen af regnhændelserne. Der er altså tale om en vis first flush i Soldalen. For Hasseris er first flush-fænomenet meget udtalt, således at der er en bedre korrelation mellem HMK og tiden til sidste regnhændelse, end der er til det afstrømmede volumen.

5.6 Betydning af variation under hændelser

Betydningen af variationen under hændelser er undersøgt ved brug af de 8 afstrømningshændelser fra Soldalen som input til en simuleringsmodel jf. principperne beskrevet i afsnit 4.4. Undersøgelsen er foretaget ved at undersøge effekten af at placere et fiktivt bassin umiddelbart nedstrøms for målepunktet og variere bassinets volumen, afløbstal og udformning. Ved denne beregning er der ikke medtaget sedimentation i bassinet. Der er antaget, at afløbstallet er konstant, og at den mængde vand, som ikke kan rummes i bassinet, løber over en overløbskant til en recipient.

For hver kombination af afløbstal og bassinvolumen beregnes først den samlede aflastning til omgivelserne på baggrund af de målte hydrografer og pollutografer (flow og stofkoncentration som funktion af tiden). Dernæst bestemmes den SMK, som giver en tilsvarende aflastning, når der ikke tages højde for en varierende stofkoncentration under hændelserne. Resultatet opgives som en relativ SMK, hvor en værdi på 1 betyder, at volumen- og stoftilbageholdelsen er lige stor i bassinet.

På figur 5.4 er vist betydningen af variationen under hændelser under antagelse af, at bassinet er et off-line bassin, se figur 4.5, som fyldes op med den første vandmængde og derefter blot tilledes en vandmængde svarende til afløbstallet. Figuren viser, at for bassin volumener større end ca. 3-4 mm er middelkoncentrationen af overløbsvandet under halvdelen af tilløbskoncentrationen. Betydningen af afløbstallet er dog ikke særlig stor. Bassinet har magasineret den første del af afstrømningen, der har høj koncentration, og alene udledt den resterende del, der har lavere koncentration. Med andre ord, bassinet har tilbageholdt en større andel stof end vand.

Hvis der derimod er tale om et in-line bassin, se figur 4.5, viser bearbejdningen af data fra Soldalen, at middelkoncentrationen af overløbsvandet svarer til tilløbskoncentrationen. Med andre ord, bassinet tilbageholder ligeså stor en andel stof som vand. Havde beregningerne taget hensyn til sedimentation i bassinet ville dette ikke have været tilfældet. Med en hensigtsmæssig udformning kan on-line bassiner nemlig tilbageholde mere stof end vand pga. sedimentation.

En afbildning svarende til figur 5.4 er vist i bilag B for et in-line bassin og viser, at alle datapunkter ligger mellem 1,0 og 1,4 svarende til, at stoftilbageholdelsen ved et in-line bassin er svarende til eller endda dårligere end vandtilbageholdelsen. Årsagen er formentlig, at det opmagasinerede vand med høj koncentration opblandes med det efterfølgende vand med lavere koncentration, og at blandingen overløber.

For Hasseris er den relative SMK på under 0,25 både ved et off-line og et on-line bassin med volumen på 3-4 mm, svarende til en meget stor ekstra tilbageholdelse af stof.

5.7 Enhedstal på basis af danske målinger

I forhold til de hidtidige typetal er der kun behov for mindre justeringer af koncentrationerne for de undersøgte stoftyper. Det ene af oplandene, Hasseris, indgår ikke i beregningen af de nye typetal, fordi oplandet skønnes ikke at være repræsentativt for danske forhold. På det tidspunkt, hvor prøverne blev udtaget, var oplandet præget af dårlig vedligeholdelse og kendte sedimentationsproblemer.

Signifikante variationer

Analysen har vist, at hændelsesmiddelkoncentrationer udviser signifikante variationer mellem hændelser og under hændelser og for nogle stoftyper også mellem oplande. Betydningen af variation under hændelser er beregnet for stoftypen COD og viser, at en hensigtsmæssig konstruktion af bassiner kan medføre, at stoftilbageholdelsen er væsentligt større end volumentilbageholdelsen. For at opnå en stor stoftilbageholdelse skal bassinet udformes, så den første vandmængde tilbageholdes.

Få danske data

Det danske datamateriale er begrænset, ikke mindst hvad angår typetal for voluminer i afløbssystemet. I tabel 5.3 er angivet forslag til nye typetal baseret udelukkende på de danske data. For årsbelastningen er der for SS og P angivet et interval, mens der for N og COD er opgivet en værdi. Det skyldes, at der er fundet en signifikant variation mellem oplande for SS og P, men ikke for N og COD. Intervallerne for ekstrembelastning og for volumenrige systemer skyldes variationer mellem oplande, men reflekterer også usikkerheden pga. et begrænset datamateriale. Intervallerne er skønnet på baggrund af statistiske analyser af data fra i alt 6 måleoplande, hvoraf det ene er udeladt af bearbejdningen fordi oplandet antages at være outlier. Den underliggende antagelse for de typiske stofkoncentrationer i tabel 5.3 er, at de fem oplande er repræsentative for Danmark.